Laboratoire 4 : L’amplificateur audio Chapitre 5 Sommaire

Chapitre 5
Laboratoire 4 : L’amplificateur
audio
Sommaire
5.1 Introduction ............................ 47
5.2 Compl´ements............................ 48
5.2.1 La contre-r´eaction n´egative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2.2 La configuration Darlington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3 ´ Equipement n´ecessaire pour le laboratoire . . . . . . . . . . 51
5.4 L’amplificateur audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4.1 Circuit d’amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4.2 Alimentation ............................ 52
5.5 Polarisation............................. 53
5.5.1 Alimentation ............................ 53
5.5.2 Sources de courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.5.3 Polarisation de Q1,Q2et Q5................... 54
5.5.4 Polarisation du Push-pull ..................... 54
5.5.5 Distorsion de croisement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.6 Analyse en petit-signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.6.1 Gainentension........................... 55
5.6.2 Gainencourant .......................... 55
5.6.3 Fr´equences de coupure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.6.4 Therealthing ........................... 56
5.7 Bilan du laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1 Introduction
Ce laboratoire vous permettra de comprendre le fonctionnement d’un amplificateur
audio `a transistors bipolaires dont la conception est relativement simple. Bien que le cir-
47

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO 48
cuit d’amplification puisse vous paraˆıtre compliqu´e `a premi`ere vue, vous verrez qu’une
bonne partie du travail est d´ej`a accomplie, le circuit ´etant compos´e de sous-circuits
que vous avez ´etudi´es dans les laboratoires pr´ec´edents. Ce laboratoire-ci vous permet-
tra de comprendre comment int´egrer l’ensemble des concepts abord´es dans les s´eances
pr´ec´edentes pour obtenir un amplificateur de puissance performant.
Le circuit analogique ´etudi´e est emprunt´e du site web “Audiophile et D(o)I(t)Y(ourself)”
de J.-M. Plantef`eve, qui s’est lui-mˆeme inspir´e de l’amplificateur historique A40 de Nel-
son Pass. Nous avons s´electionn´e ce circuit pour sa simplicit´e et son efficacit´e.
Nous n’aborderons ici que quelques aspects fondamentaux. Les audiophiles ou ´electroniciens
dans l’ˆame sont invit´es `a d´ecouvrir les aspects plus pointus et bon nombre d’astuces sur
les sites de Plantef`eve et Pass,
–http://jm.plantefeve.pagesperso-orange.fr,
–http://www.passlabs.com/
ainsi que dans la litt´erature d’amplification audio.
Pr´eparation de ce laboratoire
Ce laboratoire traite un amplificateur op´erationnel ´el´ementaire, dont la
th´eorie apparaˆıt au chapitre 8 des notes de cours.
– Lire sections 8.1 (introduction), 8.2.1 (principe ´el´ementaire de l’amplifi-
cateur diff´erentiel), 8.3.2 (sources de courant), 8.4.2 et 8.4.3 (´etages de
sortie de classe B et AB).
– Lire la section “Compl´ements” ci-dessous.
– V´erifier le r´esultat de l’´equation (5.3).
5.2 Compl´ements
5.2.1 La contre-r´eaction n´egative
La contre-r´eaction n´egative consiste `a coupler la tension de sortie d’un amplificateur
`a sa tension d’entr´ee de fa¸con `a annuler une partie de l’entr´ee. Ainsi, par exemple, dans
le circuit de la figure 5.1, les r´esistances R1et R2constituent un chemin de retour de
contre-r´eaction n´egative pour l’amplificateur op´erationnel.
Quels sont les effets d’une contre-r´eaction n´egative sur ce circuit ? Les principaux
effets sont les suivants :
1. Diminution du gain en tension

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO 49
−
+
V+
V−RL
Vout
R2
VA
R1
Vin
A
Fig. 5.1 – Contre r´eaction n´egative `a base d’un ampli-op
En effet, si le gain en tension de l’ampi-op est not´e A, on a successivement :
Vout =A(V+−V−),(5.1)
V−=VA=R1
R1+R2
Vout,(5.2)
Vout =A
(1 + A)BV+,(5.3)
o`u B=R1/(R1+R2) est le facteur de r´eduction du diviseur potentiom´etrique
R1-R2.
En d´efinitive, comme
A
1 + A B < A. (5.4)
le gain total du montage est inf´erieur `a celui de l’ampli-op.
2. Meilleure stabilit´e
Au vu du r´esultat pr´ec´edent, vous pourriez penser que la contre-r´eaction n´egative
est une id´ee assez stupide !
En r´ealit´e, son int´erˆet principal est la faible sensibilit´e du gain en tension de
l’´equation (5.3) vis-`a-vis des variations des caract´eristiques internes ou thermiques
de l’ampi-op (ces variations sont difficiles `a contrˆoler avec pr´ecision). En effet, dans
la limite o`u A1, le gain total converge vers A/(1 + AB)≈1/B = 1 + R2/R1,
un rapport qui est enti`erement fix´e par les r´esistances R1et R2(dont la pr´ecision
est bien plus facile `a contrˆoler).
Quatre autres avantages de la contre-r´eaction n´egative :
1. accroissement de la r´esistance d’entr´ee, par un facteur 1 + AB ;
2. diminution de la r´esistance de sortie, par un facteur 1 + AB ;

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO 50
3. accroissement de la largeur de la bande passante, par un facteur 1 + AB ;
4. r´eduction des distorsions et des non-lin´earit´es introduites dans le circuit in-
terne `a l’ampli-op.
Cette derni`ere propri´et´e est parmi les plus int´eressantes : d’une fa¸con sch´ematique,
les d´eformations du signal introduites par l’ampli-op lui-mˆeme sont r´eachemin´ees par le
circuit de contre-r´eaction `a l’entr´ee inverseuse V−de fa¸con les soustraire partiellement
du signal de sortie.
Notez qu’une contre-r´eaction `a l’entr´ee non-inverseuse V+aurait pour effet d’ampli-
fier des d´eformations du signal. Cet effet est utilis´e dans les oscillateurs, mais ne sera
pas abord´e dans ce laboratoire.
5.2.2 La configuration Darlington
L’´etage de sortie d’un amplificateur est celui qui doit d´ebiter le courant le plus
intense. C’est la raison pour laquelle on rencontre souvent la configuration Darlington
de la figure 5.2.
iC2
Q2
Q1
iE2
iB1
iC1
iE1
Fig. 5.2 – Circuit Darlington
Analyse rapide : le courant d’´emetteur de Q1,
iE1= (1 + β1)iB1,(5.5)
alimente la base de Q2pour donner un courant de collecteur
iC2=β2iB2.(5.6)
La configuration se comporte donc comme un seul transistor de gain
β=iC2
iB1
= (1 + β1)β2≈β1β2.(5.7)
Une configuration Darlington permet ainsi de d´ebiter un grand courant de collecteur
iC2sans “tirer” un courant de base trop important des ´etages pr´ec´edents.
Notez que la chute de tension VB1E2≈1,4 V est ici deux fois sup´erieure `a celle d’un
seul transistor.

CHAPITRE 5. LABORATOIRE 4 : L’AMPLIFICATEUR AUDIO 51
5.3 ´ Equipement n´ecessaire pour le laboratoire
– Une valisette contenant les cˆables de connexions
– Un oscilloscope double trace
– La carte ´electronique nomm´ee “Amplificateur audio”
– Un multim`etre
– Un g´en´erateur de signaux
– Un lecteur MP3 avec une bonne biblioth`eque musicale !
5.4 L’amplificateur audio
Le sch´ema de la figure 5.3 repr´esente l’amplificateur audio que vous allez ´etudier
dans ce laboratoire. Il s’agit d’un circuit ´electronique relativement simple, qui n’utilise
que des transistors bipolaires, des r´esistances ainsi que des condensateurs de couplages
et de d´erivation.
Fig. 5.3 – Sch´ema ´electronique de l’amplificateur audio
5.4.1 Circuit d’amplification
Le signal `a amplifier (un signal audio par exemple) est appliqu´e `a l’entr´ee non-
inverseuse vin de l’amplificateur diff´erentiel Q1−Q2. Remarquez que le condensateur C1
ne laisse passer que la composante petit-signal de la tension d’entr´ee.